Algebra Boole’a
Algebra Boole'a – algebra ogólna stosowana w matematyce, informatyce teoretycznej oraz elektronice cyfrowej. Jej nazwa pochodzi od nazwiska matematyka, filozofa i logika George'a Boole'a. Teoria algebr Boole'a jest działem matematyki na pograniczu teorii częściowego porządku, algebry, logiki matematycznej i topologii.
Typowymi przykładami algebr Boole'a są: rodzina wszystkich podzbiorów ustalonego zbioru wraz działaniami na zbiorach jako operacjami algebry oraz dwuelementowa algebra wartości logicznych {0, 1} z działaniami koniunkcji, alternatywy i negacji.
Spis treści |
Definicja [edytuj]
Algebra Boole'a to struktura algebraiczna
, w której
i
są działaniami dwuargumentowymi,
jest operacją jednoargumentową, a 0 i 1 są wyróżnionymi różnymi elementami zbioru
, spełniająca następujące warunki dla wszystkich
:
-


łączność 

przemienność 

absorpcja 

rozdzielność 

pochłanianie
Oznaczenia [edytuj]
| Suma | Iloczyn | Negacja |
|---|---|---|
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Istnieją co najmniej trzy różne, szeroko rozpowszechnione tradycje oznaczeń w teorii algebr Boole'a. W definicji sformułowanej powyżej użyto symboli
, ale w częstym użyciu są również
oraz
. Symbole oznaczające operacje dwuczłonowe algebry Boole'a są prawie zawsze wprowadzane przez wybór jednej z par
,
albo
. W oznaczeniach operacji jednoargumentowej algebry istnieje mniejsza konsekwencja i można się spotkać zarówno z symbolami
jak i
.
System oznaczeń przedstawiony powyżej (i dalej przyjmowany w tym artykule) jest używany np. w podręczniku Heleny Rasiowej.
W badaniach teoriomnogościowych aspektów algebr Boole'a przeważa tradycja używania oznaczeń
. Ten sam system został też wybrany za wiodący przez redaktorów monografii Handbook of Boolean Algebras.
Z kolei symbole
zgodne z oznaczeniami w teorii krat są częściej używane w kontekstach algebraicznych (i teoriokratowych).
Spotykane są też inne kombinacje tychże symboli lub wręcz inne symbole (na przykład & w miejsce
, lub
zamiast
). W elektronice i informatyce często stosuje się OR, AND oraz NOT w miejsce
,
oraz
. W języku C oraz w językach nim inspirowanych używa się odpowiedio symboli: |, &, !.
Minimalna aksjomatyzacja [edytuj]
Powyższa (tradycyjna) definicja algebry Boole'a nie jest minimalna, np. nie jest konieczne wprowadzanie w niej symboli 0 i 1. Mogą one być konsekwencją aksjomatyki a nie niezbędną dla niej definicją. 0 można zastąpić przez
a 1 przez
. Dzięki prawom de Morgana można też z aksjomatyki wyeliminować działanie
lub
. (W istocie wszystkie działania można tak naprawdę zastąpić jednym – dysjunkcją (NAND) lub binegacją (NOR)).
Istnieją równoważne, ale oszczędniejsze definicje algebry Boole'a. Przykładowy układ niezależnych aksjomatów to:
jest przemienne,
jest łączne,- aksjomat Huntingtona:
.
Inny taki układ to:
jest przemienne
jest łączne- aksjomat Robbinsa:

Istnieją też systemy z jednym aksjomatem.
Przykłady [edytuj]
Najprostsza algebra Boole'a ma tylko dwa elementy, 0 i 1, a operacje tej algebry są zdefiniowane przez następujące tabele działań:
|
|
|
Algebra ta stanowi podstawę elektroniki cyfrowej.
Jeśli
jest ciałem podzbiorów zbioru
, to
jest algebrą Boole'a (gdzie
oznacza operację dopełnienia).
Niech
będzie zbiorem zdań w rachunku zdań. Niech
będzie relacją dwuargumentową na zbiorze
określoną jako:
wtedy i tylko wtedy, gdy
jest tautologią rachunku zdań.
Można sprawdzić, że
jest relacją równoważności na zbiorze
. Na zbiorze
wszystkich klas abstrakcji
relacji
można wprowadzić operacje
przez następujące formuły:
,
,
.
W ten sposób otrzymuje się poprawnie zdefiniowane operacje na zbiorze
(tzn. wynik nie zależy od wyboru reprezentantów klas abstrakcji), a
jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą Lindenbauma-Tarskiego.
Algebry Lindenbauma-Tarskiego rozważa się również dla języków pierwszego rzędu. Niech
będzie zbiorem zdań w ustalonym alfabecie
i niech
będzie niesprzeczną teorią w tym samym języku. Relację dwuargumentową
na zbiorze
można wprowadzić przez określenie
wtedy i tylko wtedy, gdy
.
Wówczas
jest relacją równoważności na zbiorze
. Podobnie jak wcześniej:
,
,
.
Można pokazać, że
jest algebrą Boole'a.
Własności [edytuj]
Niech
będzie algebrą Boole'a. Dla wszystkich
zachodzi:
Uporządkowanie [edytuj]
W zbiorze
wprowadza się porządek boole'owski
:
wtedy i tylko wtedy, gdy 
Tak zdefiniowana relacja
jest częściowym porządkiem na zbiorze
. Zbiór
z relacją ≤ jest kratą rozdzielną.
Ideały, algebry ilorazowe i homomorfizmy [edytuj]
Niepusty zbiór
jest ideałem w algebrze
, jeśli są spełnione następujące dwa warunki:
, oraz
.
Każdy ideał zawiera element
. Ideał, który nie zawiera elementu
, nazywany jest ideałem właściwym. Jedynym niewłaściwym ideałem jest całe
.
Pojęciem dualnym jest pojęcie filtru: niepusty zbiór
jest filtrem w algebrze
, jeśli:
oraz
.
Każdy filtr zawiera element
. Filtr, który nie zawiera elementu
, nazywany jest filtrem właściwym. Jedynym niewłaściwym filtrem jest całe
.
Niech
będzie właściwym ideałem w algebrze
. Niech
będzie relacją dwuczłonową na
taką, że
wtedy i tylko wtedy gdy
.
Wówczas
jest relacją równoważności na
. W zbiorze
klas abstrakcji tej relacji można zdefiniować działania
:
,
,
.
Pokazuje się, że powyższe definicje są poprawne (tzn. wynik operacji nie zależy od wyboru reprezentantów z klas abstrakcji) oraz że
jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą ilorazową i jest oznaczana przez
.
Niech
będzie algebrą Boole'a i niech
będzie funkcją odwzorowującą
w
. Mówimy, że funkcja
jest homomorfizmem algebr Boole'a, jeśli zachowuje ona działania w algebrze, tzn. dla wszystkich
zachodzą trzy równości:
,
,
.
Jeśli dodatkowo
jest funkcją wzajemnie jednoznaczną z
na
, to funkcja
zwana jest izomorfizmem algebr Boole'a.
Jeśli
jest ideałem w algebrze
, to odwzorowanie
jest homomorfizmem.
Jeśli
jest algebrą Boole'a oraz
jest homomorfizmem na
, to
jest ideałem w algebrze
a algebra ilorazowa
jest izomorficzna z
.
Autodualność [edytuj]
Niech
(operacje
i
zostały zamienione rolami, podobnie jak stałe 0 i 1). Wtedy także
jest algebrą Boole'a izomorficzną z wyjściową algebrą
. Kanoniczny izomorfizm d tych dwóch algebr jest swoją własną odwrotnością (jest inwolucją zbioru B) i jest dany wzorem:
dla dowolnego
.
Algebry wolne [edytuj]
Algebra Boole'a
jest wolna, jeśli pewien zbiór
ma następującą własność:
- dla każdej algebry Boole'a
i każdego odwzorowania
istnieje dokładnie jeden homomorfizm
z algebry
w algebrę
, przedłużający
(czyli taki, że
).
Zbiór
o własności opisanej powyżej jest nazywany zbiorem wolnych generatorów algebry
. Jeśli moc zbioru
jest
, to mówimy, że
jest wolną algebrą Boole'a z
generatorami.
Skończona algebra Boole'a jest wolna wtedy i tylko wtedy, gdy ma ona
elementów (dla
). Algebra mocy
jest izomorficzna z ciałem wszystkich podzbiorów zbioru z
elementami i jako taka ma
wolnych generatorów.
Nieskończona przeliczalna algebra Boole'a jest wolna wtedy i tylko wtedy, gdy jest bezatomowa, tzn. każdy niezerowy element algebry zawiera przynajmniej dwa różne niezerowe elementy algebry. W zapisie formalnym: 
Zupełne algebry Boole'a [edytuj]
Działania nieskończone [edytuj]
Ponieważ w algebrze Boole'a istnieje porządek częściowy, to dla zbioru
można rozpatrywać jego kresy (które istnieją lub nie).
Jeśli dwuczłonowe operacje algebry Boole'a są oznaczane przez
(tak jak w tym artykule), to kres górny zbioru
(gdy istnieje) jest oznaczany przez
, a jego kres dolny (gdy istnieje) jest oznaczany przez
. Jeśli natomiast symbolami dla tych operacji są
, to kresy oznaczane są przez
,
.
Dla zbioru pustego:
oraz
.
Zakładając istnienie odpowiednich kresów, zachodzą wzory de Morgana:
oraz 
Ponadto, jeśli
, to:
wtedy i tylko wtedy, gdy
oraz
,
wtedy i tylko wtedy, gdy
oraz
.
Zupełność [edytuj]
Następujące dwa stwierdzenia są równoważne dla algebry Boole'a
:
- każdy podzbiór
ma kres górny; - każdy podzbiór
ma kres dolny.
Algebry, w których każdy zbiór ma kres górny (tzn. takie dla których porządek boole'owski
jest zupełny), są nazywane zupełnymi algebrami Boole'a. Zupełne algebry Boole'a są szczególnie ważne w teorii forsingu; są one też przykładami krat zupełnych.
Niech
będzie liczbą kardynalną, a
będzie algebrą Boole'a. Powiemy, że algebra
jest
-zupełna, jeśli każdy zbiór
mocy mniejszej niż
ma kres górny (tzn.
istnieje ilekroć
). Równoważnie: algebra
jest
-zupełna wtedy i tylko wtedy, gdy każdy zbiór
, o mocy mniejszej niż
, ma kres dolny (tzn
). Algebry
-zupełne są też nazywane algebrami
-zupełnymi.
Jeśli
jest
-ciałem borelowskich podzbiorów prostej rzeczywistej (a więc jest to
-zupełna algebra Boole'a) oraz
, jest rodziną wszystkich zbiorów
, które są pierwszej kategorii, to
jest ideałem w algebrze
i algebra ilorazowa
jest zupełna. Podobnie dla rodziny
wszystkich borelowskich zbiorów miary zero.
Zbiory niezależne [edytuj]
Podzbiór
algebry Boole'a
nazywany jest niezależnym, gdy dla dowolnych zbiorów skończonych 
.
Do klasycznych twierdzeń dotyczących zbiorów niezależnych w algebrach Boole'a należą:
Funkcje kardynalne [edytuj]
W badaniach i opisach algebr Boole'a często używa się funkcji kardynalnych. Przykładami takich funkcji kardynalnych są następujące funkcje.
- Celularność
algebry Boole'a
jest to supremum mocy antyłańcuchów w
. - Długość
algebry Boole'a
to
jest łańcuchem 
- Głębokość
algebry Boole'a
to
jest dobrze uporządkowanym łańcuchem
.
- Nieporównywalność
algebry Boole'a
to
oraz
.
- Pseudo-ciężar
algebry Boole'a
to
oraz
.
Reprezentacja [edytuj]
Twierdzenie Stone'a o reprezentacji algebr Boole'a mówi, że każda algebra Boole'a jest izomorficzna z pewnym ciałem zbiorów (traktowanym jako algebra Boole'a). Dokładniej mówiąc, algebra Boole'a
jest izomorficzna z ciałem otwarto-domkniętych podzbiorów przestrzeni ultrafiltrów na
, tzw. przestrzeni Stone'a algebry
. Twierdzenie Stone'a nie może być udowodnione przy użyciu tylko ZF – wymaga ono założenia pewnej formy aksjomatu wyboru (rozszerzalności ideałów w algebrach Boole'a do ideałów pierwszych).
Każda skończona algebra Boole'a jest izomorficzna z całym zbiorem potęgowym
dla pewnego 
Historia [edytuj]
Nazwa „algebra Boole'a” pochodzi od nazwiska George'a Boole'a (1815–1864), angielskiego matematyka-samouka. Wprowadził on algebraiczne ujęcie logiki matematycznej w niewielkiej pracy The Mathematical Analysis of Logic (Matematyczna analiza logiki), opublikowanej w 1847 roku. W późniejszej książce The Laws of Thought (Prawa myśli), opublikowanej w 1854, Boole formułuje problem w bardziej dojrzały sposób, zauważając dualność operacji ∪ i ∩. Dalszy rozwój algebra Boole'a zawdzięcza Williamowi Jevonsowi i Charlesowi Peirce'owi, których prace opublikowane zostały w latach sześćdziesiątych XIX wieku. W 1890 w Vorlesungen (Wykłady) Ernsta Schrödera pojawia się pierwszy systematyczny wykład algebry Boole'a i krat rozdzielnych. Dokładniejsze badania algebr Boole'a podjął Alfred North Whitehead w wydanym w 1898 roku dziele Universal Algebra (Algebra ogólna). Algebra Boole'a jako aksjomatyczna struktura algebraiczna pojawiła się w 1904 roku w pracach Huntingtona. Garrett Birkhoff w Lattice Theory (1940) rozwinął teorię krat. W latach sześćdziesiątych Paul Cohen, Dana Scott i inni osiągnęli głębokie rezultaty w dziedzinie logiki matematycznej i aksjomatycznej teorii zbiorów, korzystając z metody forsingu osadzonej w teorii algebr Boole'a.
Pierścienie Boole'a [edytuj]
Z pojęciem algebry Boole'a związane jest pojęcie pierścienia Boole'a. Pierścień Boole'a to pierścień przemienny z jedynką
, w którym mnożenie spełnia warunek
dla każdego elementu
.
W pierścieniu Boole'a każdy element jest rzędu 2, to znaczy spełnia równość:
. Dowód:
więc
.
Wynika stąd, że:
oraz
.
Niech
będzie algebrą Boole'a. Jeżeli w zbiorze
określi się operację różnicy symetrycznej
przez
to
będzie pierścieniem Boole'a; za mnożenie
przyjmuje się
.
I na odwrot – niech
będzie pierścieniem Boole'a. Jeżeli zdefiniuje się operacje
i
na
przez
,
i
,
to
będzie algebrą Boole'a spełniającą
Zobacz też [edytuj]
Bibliografia [edytuj]
- Zofia Adamowicz, Paweł Zbierski: Logic of mathematics. A modern course of classical logic. Nowy Jork: A Wiley-Interscience Publication. John Wiley & Sons, Inc., 1997, seria: Pure and Applied Mathematics. ISBN 0-471-06026-7.
- Garrett Birkhoff, Thomas C. Bartee: Współczesna algebra stosowana. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1983, seria: Matematyka dla Politechnik. ISBN 8301045604.
- Thomas Jech: Set theory. Berlin: Springer-Verlag, 1997. ISBN 3-540-63048-1.
- Winfried Just, Martin Weese: Discovering modern set theory. T. 2: Set-theoretic tools for every mathematician. Providence, RI: American Mathematical Society, 1997. ISBN 0-8218-0528-2.
- Sabine Koppelberg: Handbook of Boolean algebras. J. Donald Monk i Robert Bonnet (red.). T. 1,2,3. Amsterdam: North-Holland Publishing Co., 1989. ISBN 0-444-70261-X.
- Kazimierz Kuratowski, Andrzej Mostowski: Teoria mnogości: wraz ze wstępem do opisowej teorii mnogości. Wyd. 3. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe (PWN), 1978, seria: Monografie Matematyczne 27.
- J. Donald Monk: Cardinal invariants on Boolean algebras. Basel: Birkhäuser Verlag, 1996. ISBN 3-7643-5402-X.
- Helena Rasiowa: Wstęp do matematyki współczesnej. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1973, seria: Biblioteka Matematyczna t. 30.
- Roman Sikorski: Boolean Algebras (wydanie 3). Springer Verlag; Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebieterok. Neue Folge. Band 25, 1969 (wyd. 1 – 1960).




















jest przemienne,
.
wtedy i tylko wtedy, gdy
jest
,
,
.
.










wtedy i tylko wtedy, gdy 
, oraz
.
.
wtedy i tylko wtedy gdy
.
,
,
.
,
,
.
istnieje dokładnie jeden homomorfizm
(czyli taki, że
).
oraz
.
oraz 
wtedy i tylko wtedy, gdy
oraz
,
wtedy i tylko wtedy, gdy
oraz
.
.
algebry Boole'a
algebry Boole'a
jest 
algebry Boole'a
jest
algebry Boole'a
oraz
.
algebry Boole'a
oraz
.
dla każdego elementu
.
oraz
.
,
i
,